金剛石對頂砧內(nèi)高壓下的電導率原位測量新方法項目摘要

金剛石對頂砧是高壓科學研究中普遍使用的靜高壓產(chǎn)生裝置。利用金剛石的透明特性，幾乎所有與光譜相關的高壓下原位探測都可以借助金剛石對頂砧來實現(xiàn)。然而，在基于金剛石對頂砧的高壓下原位電學性質測量方面，還有一些關鍵的方法和技術問題有待解決，其中電導率的準確測量是重要的環(huán)節(jié)和基礎。目前，采用四探針方法是測量電導率的唯一方法。但是在高壓條件下，由于金剛石對頂砧內(nèi)空間狹小，四探針方法所需的實驗條件無法滿足，必須進行修正才能得到準確的數(shù)據(jù)，這導致樣品的尺寸成為電導率計算必須使用的參數(shù)，需要在高壓下進行原位測量。這些量的測量不但難度大，而且不可避免引地入誤差，影響測量精度。本次申請擬采用新方法，來克服高壓下樣品尺寸的原位測量問題，即通過在金剛石壓砧上增加參考電極，借助連續(xù)介質的有限差分方法，利用多組邊界條件，在電導率求解過程中直接消除樣品厚度、尺度的影響，建立準確可靠的高壓下電導率測量方法。

樣品腔空間狹小是金剛石對頂砧（DAC）的主要特征。在進行電阻率測量時，傳統(tǒng)的四探針方法所需的實驗條件無法滿足，不能直接使用。因此，對傳統(tǒng)測量方法的改革和修正是必不可少的。本項目的主要設想是基于DAC建立新的電阻率測量方法，克服電阻率準確測量的各種障礙，實現(xiàn)DAC高壓下原位電導率的準確測量。 　　根據(jù)DAC的軸對稱特點，我們建立了新的雙電極模型。在金剛石砧面上制備圓形金屬薄膜電極并進行絕緣處理，以金屬墊片為另一個測量電極，進而構成軸對稱的新的雙電極構型。采用新的雙電極構型，有效消除了電信號測量的旁路效應，保證了測量的準確性。根據(jù)這一新方法的特點，我們編制了高壓下電阻率測量軟件，只需代入電流電壓和樣品的尺寸參數(shù)，就可以直接得出高壓下電阻率的數(shù)據(jù)，簡化了數(shù)據(jù)處理過程。此外，這一方法使用了軸對稱的雙電極構型，與同軸電纜的構型接近。當電極和樣品直徑比較小時，新構型能夠在交直流兩種激勵方式下進行電信號的測量，這對于同時表征高壓下樣品的直流響應（電阻率、磁阻、熱阻系數(shù)）和交流響應（阻抗譜、介電常數(shù)、介電損耗、界面效應）非常重要，為從多角度揭示高壓下樣品的電輸運特性提供了手段。 　　在此基礎上，為實現(xiàn)高壓下樣品的厚度和直徑的自動識別，我們又設計了一個新的軸對稱三電極電阻率測量方法。新方法在一個金剛石壓砧表面通過薄膜氣相沉積方法制備出一個中心圓電極和與之有共同對稱中心的參考電極，并實現(xiàn)彼此絕緣形成雙電極構型；而第三個電極仍然以金屬樣品腔內(nèi)壁替代，有效利用金屬樣品腔與樣品的自然接觸進行測量。與此同時，我們?yōu)檫@個新的三電極方法編制了測量軟件，只需輸入金剛石壓砧上電極的尺寸和高壓下原位測量的電流、電壓值，就可以直接獲得電阻率測量結果。新方法避開了高壓下樣品尺度的原位測量，消除了相應的測量誤差，簡化了電阻率測量流程，提高了測量精度。 　　需要指出的是，以上兩個新技術方法均保留了DAC高壓下光譜測量的兼容性，能夠在進行高壓下電阻率等電學量測量的同時進行X光衍射和Raman散射等與樣品結構分析相關的譜學測量，這為把樣品的結構相變和電輸運行為聯(lián)系起來提供了方法。 　　以上是本項目取得的主要技術研究成果。利用這些新的技術方法還研究了一系列化合物半導體在高壓下的電輸運行為。項目研究期間共發(fā)表學術論文21篇，獲準國家發(fā)明專利3項，申報4項，獲得吉林省科技進步獎二等獎１項，在會議邀請報告４次 2100433B

高溫高壓下的水具有奇特的性質，對地球層圈結構形成和深部物質演化起著重要的作用。由于水在高溫高壓下具有強腐蝕性，給高溫高壓下水性質的研究帶來困難，致使水在高溫高壓下的理化性質科學數(shù)據(jù)非常有限。本項目擬將金剛石對頂砧高壓、加溫和薄膜組裝技術結合起來，解決耐腐蝕電極封墊制備、對頂砧內(nèi)高溫壓腐蝕環(huán)境下的溫壓測量等技術問題，建立液態(tài)物質高溫高壓條件下原位電導率測量實驗技術。在此基礎上，系統(tǒng)測量水在300～1300K和2～20GPa溫度壓力范圍內(nèi)的電導率，研究其喇曼光譜和X光結構特征，確定冰-水融化方程和水性質突變點的壓力和溫度線。通過這些研究，豐富水在高溫高壓下的物理性質和結構數(shù)據(jù)，深入認識水的結構和物性隨溫度壓力變化的規(guī)律，為探討水在地球深部的存在狀態(tài)、理化性質和運移機制提供科學依據(jù)。

超高壓技術DAC裝置的問世及發(fā)展

本世紀五十年代出現(xiàn)多種靜高壓發(fā)生裝置。其中以Bridgman對頂砧及Dfickazner等改進的 bridgmM 容器占主導，最高壓力可達20--30GPa。由于選擇強度高的優(yōu)質材料做加載部件是提高壓力的關鍵之一．故人們自然想到用最硬的材料—— 金剛石做壓砧。1950年美國的Lawson和Tang首先使用兩個單晶金剛石和一個徽型活塞，做成一個高壓腔，進行高壓x光衍射研究圖 1?？上У氖?，這次嘗試之后，用金剛石做壓砧來產(chǎn)生高壓，幾乎被人們遺忘了。直到1959年美國芝加哥大學的3amieson和Lawson等人用金剛石做了類似

于Bridgn-am容器的裝置，得到Bi在3 GPa的x射線衍射圖2。同年，美國國家標準局(theNational Bureau of Standards- NBS)的Weir等人設計了一套金剛石壓砧容器．以后又做了改進，達到了16 GPa的壓強。之后，為產(chǎn)生較高靜水壓的需要而引入的金屬封墊技術及紅寶石R線測壓技術等，對DAC的發(fā)展起了重暮作用，使DAC壓砧技術的應用得到很大發(fā)展。1978年，H．K．Mao(毛河光)和P．M．Bell在金剛石壓砧容器中達到了172GPa壓力 ]。1986年，他們在卡內(nèi)基研究所地球物理實驗室獲得了超過360 GPa(地心的最大壓強)的靜壓強一550 Gp 。這一靜壓強的達到．標志著近代高壓技術又向前發(fā)展了一步。

超高壓技術DAC裝置及實驗技術

2．1 工作原理

圖1為DAC裝置工作原理示意圖。同時推動兩個金剛石壓砧時，置于兩平行金剛石壓砧平面之間的樣品就受到壓力的作用。因壓砧頂部直徑很小(約0．3 ram)，故可達到較高的壓力。

2．2 裝置結構

由于產(chǎn)生和調節(jié)壓力的機構不同，DAC裝置有多種類型?，F(xiàn)僅以Mao-Befl型為例．對

其結構作一簡介。

圖2 1為裝置整機圖。當順時針擰緊螺栓時，Bellcvf1]~彈簧墊8受到壓縮，并通過杠桿臂5和推力塊3將活塞1向圓筒2中推進．使分別置于活塞和圓筒上的兩塊金剛石壓砧受到擠壓，同時使置于壓砧之間的佯品受到高壓作用。圖3為該裝置的核心部分—— 活塞和圓筒的剖視圖。

放置金剛石壓砧的上下?lián)u床1、2，系由硬質合金加工 上下?lián)u床中央均有一錐形通光孔，壓砧的中心要求與錐孔的中心共軸。粘好金剛石的上下?lián)u床披分別置于圓筒和插塞的半圓柱形搖床槽中，并用搖床槽上的頂絲將搖床固定。做實驗前，經(jīng)仔細調整， 使上下壓砧“對中”，并使兩壓砧面達到光學級平行(兩壓砧之間無等厚干涉條紋)。 調節(jié)方法：即調節(jié)搖床槽中的頂絲·為調 對中”，需使搖床沿 、 軸移動；為調“平行”，需使搖床分別沿z、y軸轉動。

注：此處圖片整理中